CN108746518B - 一种摆动曲柄式连铸结晶器非正弦振动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种摆动曲柄式连铸结晶器非正弦振动方法，其适用于采用伺服电机驱动偏心轴模式下结晶器振动装置，可实现结晶器的振幅、频率和波形偏斜率均在线可调的结晶器非正弦振动。本发明给出了伺服电机及偏心轴正反向摆动的角速度变化规律，以及摆动角度随时间的实时变化规律，其实现的结晶器非正弦振动加速度光滑连续变化，动力特性好，不会产生振动冲击，伺服电机摆动的角度和角速度变化规律采用整体函数表示，便于自动控制的实现。

Description

一种摆动曲柄式连铸结晶器非正弦振动方法

技术领域

本发明涉及连续铸钢技术领域，特别是涉及连铸结晶器非正弦振动的实现方法。

背景技术

连铸结晶器非正弦振动技术是20世纪80年代首先由国外开发的，由于它对提高拉坯速度，改善铸坯质量等具有明显效果，已被国内外连铸工作者确认为发展高效连铸的关键技术之一。目前结晶器非正弦振动发生装置主要有电液伺服系统、伺服电动缸系统和偏心轴系统。电液伺服系统存在系统复杂、投资昂贵、维护工作量大等缺点。伺服电动缸系统采用伺服电机驱动滚珠丝杆实现结晶器非正弦转动，其承载能力和抗冲击能力有限。偏心轴系统承载能力高，寿命长，投资少，维护方便，在正弦振动中已广泛应用。目前采用偏心轴驱动实现非正弦振动主要有两种方式，一种是采用非正弦振动发生器，即在传动系统中增加非正弦振动发生器，如：机械驱动的非正弦振动发生装置，专利号为ZL99212823.4；连铸结晶器锯齿形振动发生装置，专利号为ZL98211614.4；反平行四边形机构结晶器非正弦振动发生装置，专利号为ZL99216172.X；连铸结晶器非正弦振动变速装置，CN03143934.9等。增加非正弦振动发生其后，使偏心轴单向变角速度连续转动，实现结晶器非正弦振动。其缺点是振幅不能在线调节，传动系统因增加了非正弦振动发生器而变得复杂，传动环节增加，降低了结晶器振动的平稳性。另一种是伺服电机驱动偏心轴单向连续非匀速转动实现结晶器非正弦振动，如：伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动发生装置，专利号为CN200510060032.1；直接驱动结晶器振动发生装置及其振动方法，专利号为CN101920320A；双伺服电机同步驱动结晶器非正弦振动装置，CN201611203383.8等，此类非正弦振动发缺点是振幅不能在线调节，在一定程度上影响了非正弦振动优越性的发挥。另外，专利“直接驱动结晶器振动发生装置及非正弦振动方法，专利号为CN 102120254 A”公布的一种直线电机驱动的非正弦振动装置，其电机的承载能力有限；专利CN102764864A公布了一种振幅在线可调的结晶器振动发生装置及其振动方法，该专利给出了一种振幅可调的结晶器振动机构，提出采用直驱电机驱动转轴往复摆动带动偏心轴上下振动，从而实现结晶器振动，但没有给出转轴及偏心轴的转动规律，也没给出结晶器的具体振动规律；专利CN105081241A公布了一种摆动型偏心轴激发连铸结晶器非正弦振动的方法，该专利给出了采用两段函数表示的偏心轴转动规律来实现结晶器非正弦振动方法。这种转动规律的缺点是：结晶器非正弦振动的加速度值较大，且结晶器运动换向位置加速度曲线不光滑，这不利于结晶器平稳振动；速度函数表示为偏心轴转角的函数，没有给出速度函数的显式表达形式；偏心轴转角随时间的变化规律采用积分形式表示，不是显式形式，实际应用时不方便对转角进行实时反馈控制。

发明内容

本发明目的在于提供一种振幅、频率、波形偏斜率均在线可调的摆动曲柄式伺服电机驱动连铸结晶器非正弦振动的实现方法。

为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明所述连铸结晶器非正弦振动机构包括伺服电机、减速器、联轴器、偏心轴、连杆、振动台和结晶器；伺服电机与减速器相连，减速器通过联轴器驱动偏心轴，偏心轴与连杆相连并通过连杆驱动振动台；所述振动台外部设有导向机构，振动台在导向机构内上下振动；在振动台的顶部固定结晶器，振动台的底部安装缓冲弹簧；伺服电机正反向往复转动，驱动偏心轴在一定角度范围内正反向摆动，使固定在振动台上的结晶器实现上下往复振动；

所述方法为：以结晶器非正弦振动的振幅h、振动频率f、波形偏斜率α为参数，当偏心轴处于水平位置时，对应结晶器上下振动的中间位置即平衡位置，伺服电机正反向转动的角速度随时间的变化规律为：

偏心轴摆动角速度随时间的变化规律为伺服电机转动角速度除以减速器的减速比i，即：

式中：ω₁(t)——伺服电机的角速度，ω₂(t)——偏心轴(曲柄)的角速度，

f——振动频率(Hz)，h——振幅(mm)，α——波形偏斜率，e——偏心轴的偏心距(曲柄长度)，i——减速器的减速比，t——时间(s)；

当伺服电机的角速度ω₁(t)和偏心轴(曲柄)角速度ω₂(t)为正值时，保证结晶器由下向上运动；

当伺服电机的角速度ω₁(t)和偏心轴(曲柄)角速度ω₂(t)为负值时，保证结晶器由上向下运动；

当伺服电机的角速度ω₁(t)和偏心轴(曲柄)角速度ω₂(t)由正值变为负值时，转动方向发生改变，结晶器运动方向也同时发生改变。

根据非正弦振动的特点，伺服电机和偏心轴按上述角速度变化规律转动时，结晶器由最低位置运动到最高位置所需要的时间大于其由最高位置运动到最低位置所需要时间。

进一步的，伺服电机在

角度范围内正反向往复转动，转动角度随时间的变化规律为：

偏心轴在

角度范围内摆动，摆动角度随时间的变化规律为：

进一步的，所述连铸结晶器非正弦振动机构包括伺服电机、减速器、联轴器、偏心轴、连杆、振动臂、振动台和结晶器；伺服电机与减速器相连，减速器通过联轴器驱动偏心轴，偏心轴与连杆相连，连杆另一端与振动臂相连，振动臂与振动台相连；所述振动台顶部固定结晶器、底部安装缓冲弹簧；伺服电机正反向往复转动，驱动偏心轴在一定角度范围内正反向摆动，使固定在振动台上的结晶器实现上下往复振动；

所述方法为：以结晶器非正弦振动的振幅h、振动频率f、波形偏斜率α为参数，当偏心轴处于水平位置时，对应结晶器上下振动的中间位置即平衡位置，伺服电机正反向转动的角速度随时间的变化规律为：

偏心轴摆动角速度随时间的变化规律为伺服电机转动角速度除以减速器的减速比i，即：

式中：ω₁(t)——伺服电机的角速度，ω₂(t)——偏心轴(曲柄)的角速度，

f——振动频率(Hz)，h——振幅(mm)，α——波形偏斜率，e——偏心轴的偏心距(曲柄长度)，i——减速器的减速比，t——时间(s),

——杠杆比，其中l₁、l₂分别为振动臂两部分的水平长度；

当伺服电机的角速度ω₁(t)和偏心轴(曲柄)角速度ω₂(t)为负值时，保证结晶器由下向上运动；

当伺服电机的角速度ω₁(t)和偏心轴(曲柄)角速度ω₂(t)为值正时，保证结晶器由上向下运动；

当伺服电机的角速度ω₁(t)和偏心轴(曲柄)角速度ω₂(t)由正值变为负值时，转动方向发生改变，结晶器运动方向也同时发生改变；

根据非正弦振动的特点，伺服电机和偏心轴按上述角速度变化规律转动时，结晶器由最低位置运动到最高位置所需要的时间大于其由最高位置运动到最低位置所需要时间。

进一步的，伺服电机在角度范围内正反向往复转动，转动的角度随时间的变化规律为：

偏心轴在

角度范围内摆动，摆动角度随时间的变化规律为：

进一步的，当波形偏斜率为0时，伺服电机和偏心轴的转动规律可实现振幅和频率在线可调的结晶器正弦振动。

工作过程大致如下：

采用伺服电机通过减速器驱动偏心轴或采用大扭矩直驱伺服电机直接驱动偏心轴，带动连杆驱动结晶器振动装置及其上的结晶器上下往复运动，偏心轴可以看做一个曲柄，曲柄在水平位置上下摆动，上下摆动的角度相同，实现结晶器上下往复振动。通过控制摆动角度的大小，可以在线调节结晶器振动的振幅。通过控制伺服电机按给定的角速度变化规律往复转动，驱动偏心轴(曲柄)在一定角度内按特定的角速度规律往复摆动，使结晶器产生非正弦振动，并可以实现频率、振幅、波形偏斜率在线可调。本方法只需给定结晶器振动的频率、振幅及变形偏斜率，即可得到伺服电机及偏心轴的角速度随时间的变化规律，同时得到其转角随时间的变化规律，通过对伺服电机的角速度和转角进行实时控制，即可实现结晶器非正弦振动，方便可行。

与现有技术相比，本发明方法具有如下优点：

1、采用伺服电机驱动偏心轴摆动，通过控制伺服电机正反向转动的角速度变化规律实现结晶器非正弦振动，其振幅、频率和波形偏斜率均可在线可调，振动工艺参数在线调节方便灵活。

2、给出的伺服电机及偏心轴的角速度规律采用整体函数表达，在表达式中只需给定振幅、频率、波形偏斜率三个基本振动参数，即可实现结晶器非正弦振动，不需要进行其它参数的计算，角速度的确定简单，而且伺服电机及偏心轴的转角随时间的变化规律采用显式表达式给出，对控制的实现方便可行。

3、电机驱动偏心轴传动实现结晶器振动是目前普遍采用的结晶器振动驱动机构，其承载能力大、抗冲击能力强、使用寿命长，设备造价低，本方法只需将驱动电机换成伺服电机，增加伺服电机的电控部分，不需对机械设备进行较大改动，通过对伺服电机的时变角速度进行实时控制，即可实现结晶器非正弦振动，此方法方便可行。

4、不但可以实现非正弦振动，也可以实现正弦振动，当波形偏斜率取为0时，即可实现振幅频率在线可调的结晶器正弦振动，克服了目前采用偏心轴系统实现结晶器正弦振动时振幅不可在线调节的缺点。

附图说明

图1为摆动曲柄式伺服电机驱动连铸结晶器非正弦振动驱动机构原理图(有减速器)。

图2为一种结晶器振动导向机构原理图。

图3为另一种结晶器振动导向机构原理图。

图4为摆动曲柄式伺服电机驱动连铸结晶器非正弦振动驱动机构原理图(无减速器)。

图5为伺服电机转动角速度变化曲线(一个振动周期内，减速比i＝5)。

图6为偏心轴摆动角速度变化曲线(一个振动周期内)。

图7为伺服电机转角随时间变化曲线(一个振动周期内，减速比i＝5)。

图8为偏心轴转角随时间变化(一个振动周期内)。

图9为结晶器位移波形曲线。

图10为结晶器速度波形曲线。

图11为结晶器加速度波形曲线。

图12为伺服电机控制系统基本结构原理图。

图13为伺服电机实际转动角速度曲线。

图14为实际结晶器速度波形曲线。

附图标号：1-伺服电机、2-减速器、3-联轴器、4-偏心轴、5-连杆、6-缓冲弹簧、7-导向机构、8-振动台、9-结晶器、10-振动臂。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

针对图2所示的结晶器振动机构，采用图1所示的传动机构，其运动原理为：偏心轴可以看做一个曲柄，伺服电机通过减速器驱动曲柄，曲柄通过连杆驱动振动台及安装其上的结晶器，使结晶器实现上下振动。曲柄在水平位置时，对应结晶器在上下振动的平衡位置。通过控制伺服电机正反向非匀速转动，使曲柄在一定角度范围内正反向变角速度摆动，通过控制伺服电机正反向转动角速度变化规律实现结晶器非正弦振动，通过伺服电机正反向转动的角度来控制曲柄摆动的角度，实现振幅的在线调节。伺服电机正反向转动的角速度随时间的变化规律为：

曲柄摆动角速度变化规律为：

伺服电机转角随时间的变化规律为：

曲柄转角随时间变化规律为：

确定曲柄长度e和结晶器振幅h时，应保证曲柄最大摆动角度在

以内，即e≥h。

对于给定振幅h和曲柄长度e，曲柄摆动角度范围为：

伺服电机转动角度范围为：

以上各式中，f为结晶器振动频率(Hz)，一般f的取值范围为0-5Hz(0-300次/分)，可在线调节。h为结晶器振动的振幅(mm)，一般h的取值范围为2-8mm，可在线调节。

其中α为非正弦振动的波形偏斜率，一般α的取值范围为0～0.4，可在线调节，e为曲柄长度(偏心轴的偏心量)，i为减速器的减速比。

伺服电机转动的角速度规律如图5所示，曲柄摆动角速度规律如图6所示。伺服电机转角随时间的变化规律如图7所示，曲柄摆动角度随时间的变化规律如图8所示。

针对图3所示的结晶器振动机构，采用图1所示的传动机构，连杆通过振动臂驱动振动台及其上的结晶器振动，由于振动臂的杠杆作用，伺服电机转动的角速度规律以及曲柄摆动的角速度规律均应做相应调整。

伺服电机转动的角速度规律为：

曲柄摆动角速度变化规律为：

伺服电机转角随时间的变化规律为：

曲柄转角随时间变化规律为：

式中，为杠杆比，其中l₁、l₂分别为振动臂两部分的水平长度，见图3。

同样，确定曲柄长度e和结晶器振幅h时，应保证曲柄最大摆动角度在

以内，即e≥kh。对于给定的振幅h和曲柄长度e，曲柄摆动角度范围为：

伺服电机转动角度范围为：

对比图3和图2两种振动机构，由于图3所示振动机构中振动臂的杠杆作用，使得曲柄及伺服电机的转动方向与图2所示机构相反。根据非正弦振动的速度特征，两者均需保证结晶器向上运动时，伺服电机和曲柄(偏心轴)转动角速度小，而结晶器向下运动时，其转动角速度大。以上各式中，当伺服电机角速度由正值变为负值时，表明其转动方向必须改变。

另外，此非正弦振动方法也适合于图4所示的驱动机构，即采用大扭矩直驱伺服电机直接驱动偏心轴，不使用减速器，此时在以上各式中令减速比i＝1即可得到相应的伺服电机及偏心轴的转动规律。

此非正弦振动方法实现的结晶器非正弦振动的速度函数为：

实施例：

某方坯连铸机的结晶器振动机构原理图如图2所示，其非正弦振动驱动装置如图1，伺服电机通过减速器驱动偏心轴，偏心轴通过连杆直接驱动振动台及安装在其上的结晶器。振动负荷为振动台和结晶器，重40KN，振幅h＝4mm，波形偏斜率α＝0.2，偏心轴的偏心距取为e＝5mm，当拉速V_L＝1.2米/分时，振动频率f＝0.5Hz(120次/分)，减速器的减速比为i＝5。

为实现结晶器非正弦振动，伺服电机转动角速度随时间的变化规律为：

偏心轴转动角速度随时间的变化规律为：

伺服电机转角随时间的变化规律为：

偏心轴转角随时间变化规律为：

以上公式中，经换算得到E＝-0.158。

伺服电机正反方向转动的最大角度为β₁＝±265.65°

偏心轴摆动的最大角度为β₂＝±53.13°。

伺服电机转动角速度随时间的变化规律如图5所示，偏心轴摆动角速度随时间变化规律如图6所示，伺服电机转角随时间的变化规律如图7所示，偏心轴转角随时间变化规律如图8所示，结晶器振动位移波形如图9所示，速度波形如图10所示，加速度波形如图11所示。

为实现对伺服电机转动角速度的实时控制，采用工业控制计算机，配备适当的D/A板和A/D板等外设接口板，控制软件可以采用C语言或VC++等语言来编程实现。也可采用运算速度较高、运算功能较强的PLC(可编程控制器)来实现，如采用西门子S7-400系列PLC控制装置。通过控制驱动器实现伺服电机按上述要求的角速度规律进行转动。控制流程图如图12所示。工业控制计算机按采样周期Δt＝0.004s，通过伺服电机转动角速度计算公式计算得到伺服电机在各个不同采样时刻的角速度值，然后通过PLC(可编程控制器)给出角速度设定值，图12中的调速驱动装置将角速度设定值与实际角速度值进行比较、运算和功率放大后去控制伺服电机，即可得到实际的伺服电机角速度变化曲线(见图13)；经过减速器、偏心轴、连杆等传动后，即可驱动结晶器实现非正弦振动，其速度波形见图14。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种摆动曲柄式连铸结晶器非正弦振动方法，其特征在于：所述连铸结晶器非正弦振动机构包括伺服电机、减速器、联轴器、偏心轴、连杆、振动台和结晶器；伺服电机与减速器相连，减速器通过联轴器驱动偏心轴，偏心轴与连杆相连并通过连杆驱动振动台；所述振动台外部设有导向机构，振动台在导向机构内上下振动；在振动台的顶部固定结晶器，振动台的底部安装缓冲弹簧；伺服电机正反向往复转动，驱动偏心轴在一定角度范围内正反向摆动，使固定在振动台上的结晶器实现上下往复振动；

所述方法为：以结晶器非正弦振动的振幅h、振动频率f、波形偏斜率α为参数，当偏心轴处于水平位置时，对应结晶器上下振动的中间位置即平衡位置，伺服电机正反向转动的角速度随时间的变化规律为：

偏心轴摆动角速度随时间的变化规律为伺服电机转动角速度除以减速器的减速比i，即：

式中：ω₁(t)——伺服电机的角速度，ω₂(t)——偏心轴(曲柄)的角速度，

h——振幅(mm)，f——振动频率(Hz)，α——波形偏斜率，e——偏心轴的偏心距(曲柄长度)，i——减速器的减速比，t——时间(s)；

当伺服电机的角速度ω₁(t)和偏心轴(曲柄)角速度ω₂(t)为正值时，保证结晶器由下向上运动；

当伺服电机的角速度ω₁(t)和偏心轴(曲柄)角速度ω₂(t)为负值时，保证结晶器由上向下运动；

当伺服电机的角速度ω₁(t)和偏心轴(曲柄)角速度ω₂(t)由正值变为负值时，转动方向发生改变，结晶器运动方向也同时发生改变；根据非正弦振动的特点，伺服电机和偏心轴按上述角速度变化规律转动时，结晶器由最低位置运动到最高位置所需要的时间大于其由最高位置运动到最低位置所需要时间。

2.根据权利要求1所述的一种摆动曲柄式连铸结晶器非正弦振动方法，其特征在于：伺服电机在

角度范围内正反向往复转动，转动角度随时间的变化规律为：

偏心轴在

角度范围内摆动，摆动角度随时间的变化规律为：

3.一种摆动曲柄式连铸结晶器非正弦振动方法，其特征在于：所述连铸结晶器包括伺服电机、减速器、联轴器、偏心轴、连杆、振动臂、振动台和结晶器；伺服电机与减速器相连，减速器通过联轴器驱动偏心轴，偏心轴与连杆相连，连杆另一端与振动臂相连，振动臂与振动台相连；所述振动台顶部固定结晶器、底部安装缓冲弹簧；伺服电机正反向往复转动，驱动偏心轴在一定角度范围内正反向摆动，使固定在振动台上的结晶器实现上下往复振动；

所述方法为：以结晶器非正弦振动的振幅h、振动频率f、波形偏斜率α为参数，当偏心轴处于水平位置时，对应结晶器上下振动的中间位置即平衡位置，伺服电机正反向转动的角速度随时间的变化规律为：

偏心轴摆动角速度随时间的变化规律为伺服电机转动角速度除以减速器的减速比i，即：

式中：ω₁(t)——伺服电机的角速度，ω₂(t)——偏心轴(曲柄)的角速度，h——振幅(mm)，f——振动频率(Hz)，α——波形偏斜率，e——偏心轴的偏心距(曲柄长度)，i——减速器的减速比，t——时间(s)，

——杠杆比，其中l₁、l₂分别为振动臂两部分的水平长度；

当伺服电机的角速度ω₁(t)和偏心轴(曲柄)角速度ω₂(t)为负值时，保证结晶器由下向上运动；

当伺服电机的角速度ω₁(t)和偏心轴(曲柄)角速度ω₂(t)为值正时，保证结晶器由上向下运动；

当伺服电机的角速度ω₁(t)和偏心轴(曲柄)角速度ω₂(t)由正值变为负值时，转动方向发生改变，结晶器运动方向也同时发生改变；

根据非正弦振动的特点，伺服电机和偏心轴按上述角速度变化规律转动时，结晶器由最低位置运动到最高位置所需要的时间大于其由最高位置运动到最低位置所需要时间。

4.根据权利要求3所述的一种摆动曲柄式连铸结晶器非正弦振动方法，其特征在于：伺服电机在

角度范围内正反向往复转动，转动的角度随时间的变化规律为：

偏心轴在角度范围内摆动，摆动角度随时间的变化规律为：

5.根据权利要求1或3所述的一种摆动曲柄式连铸结晶器非正弦振动方法，其特征在于：当波形偏斜率为0时，伺服电机和偏心轴的转动规律可实现振幅和频率在线可调的结晶器正弦振动。

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